Desgaste y fatiga superficial en rodamientos

- May 27, 2020-

Desgaste y fatiga superficial en rodamientos


En algunas aplicaciones, los rodamientos pueden sufrir una pérdida sustancial de material (desgaste) debido a la falta de lubricación, la presencia de partículas abrasivas, corrosión, rotación oscilante y otras causas. Tal desgaste a su vez puede tener un efecto perjudicial en la operación del rodamiento, desde la reducción de la precarga hasta los efectos potencialmente catastróficos. Una consecuencia común y quizás inesperada del desgaste desigual en las pistas de rodamientos es la posibilidad creciente de fatiga superficial. En algunas aplicaciones, no es raro ver bandas de peligro en la superficie o desprendimiento de la superficie a lo largo de las pistas de rodadura. Esto está asociado con la posibilidad de modificación del perfil de la pista de rodadura debido al desgaste desigual, lo que puede dar lugar a una concentración de tensión en las líneas de alta presión y menor espesor de la película.

Figura 1: Ejemplo de desgaste abrasivo en un anillo interno de un rodamiento de rodillos esféricos causado por malas condiciones de lubricación y la presencia de partículas abrasivas

Los rodamientos que funcionan bajo malas condiciones de lubricación en situaciones de deslizamiento desigual o con la presencia de partículas abrasivas o contaminación por líquidos pueden sufrir modificaciones sustanciales en los perfiles de la pista de rodadura (fig. 1). Con el tiempo, estas modificaciones pueden desarrollar concentraciones de estrés en las áreas más cargadas (fig. 2), lo que potencialmente puede conducir a un aumento de la fatiga superficial localizada, produciendo bandas de microaspelado o astillamiento a lo largo de las pistas de rodadura en las áreas de mayor estrés (fig. 3). Este modo de daño potencial puede afectar a cualquier rodamiento, pero las aplicaciones con presencia de contaminación fuerte, corrosión, lubricación deficiente y deslizamiento desigual o carga variable serán las más afectadas. Por lo general, se encuentran ejemplos en la industria minera, pulpa y papel, aplicaciones eólicas y otras áreas.

Figura 2: Ejemplo de un perfil de rodadura del rodamiento y una rugosidad de 3 D modificada después de un desgaste desigual.

Figura 3: Ejemplo de angustia superficial: bandas de astillamiento a lo largo de la pista de rodadura, causadas por un desgaste desigual en un anillo interior de rodamiento de rodillos cilíndricos.

El desgaste en los rodamientos es un fenómeno no lineal, e incluso las observaciones y mediciones del desgaste de los rodamientos en intervalos regulares muestran que la intuición simple no es suficiente para predecir cómo evolucionará el desgaste en el tiempo. Esto se debe a una variedad de razones; el desgaste depende principalmente del deslizamiento local y la carga local, y el desgaste en sí modifica estos dos factores, por lo que no es posible una extrapolación simple. Es necesario un análisis más riguroso, por lo que SKF ha dedicado esfuerzos a la investigación del deslizamiento y el desgaste en los rodamientos y sus efectos sobre la vida útil de los rodamientos [1].

Cualquier rodamiento tiene cierto grado de deslizamiento; esto es normal. Se produce por la geometría interna del rodamiento y / o las condiciones de carga. Por ejemplo, un rodamiento radial de bolas o de rodillos, perfectamente cargado radialmente, también tendrá deslizamiento (deslizamiento Heathcote) debido a la geometría del elemento rodante / contacto del anillo y la deformación elástica de la carga (figs. 4 ay {{0} }si). Dado que el desgaste depende del deslizamiento, con el tiempo (si las condiciones se dan correctamente) se esperaría que las bandas rodantes puras (A y A1) serán las únicas zonas donde el desgaste no ocurrirá y, por lo tanto, las únicas zonas que llevarán toda la carga en el contacto.

Figura 4 a: contacto de la pista de rodadura del elemento rodante con una superficie de contacto curvada y la influencia de la deformación elástica. Esto representa cómo se produce el deslizamiento.
Figura 4 b: Influencia de la deformación elástica en el anillo interno de un rodamiento rígido de bolas.

Afortunadamente, esto solo puede ocurrir en situaciones de desgaste intenso, como la presencia de partículas abrasivas, corrosión fuerte o deslizamiento anormal debido a una carga o montaje inapropiados del rodamiento. En la mayoría de los casos, los rodamientos funcionan correctamente, y este deslizamiento será el entorno de trabajo normal de un rodamiento sin problemas.

El documento actual profundizará un poco más en los mecanismos principales del modo potencial de daño por combinación de desgaste y fatiga. El modelado y los experimentos se llevaron a cabo para comprenderlo mejor y arrojar algo de luz sobre las formas de prevención.

Modelado

Desgaste de modelado
En [2], se discuten diferentes modelos de desgaste bajo condiciones lubricadas, y se concluye que en todos los casos pueden ser representados por un modelo Archard [3], a veces con un modelo de coeficiente de desgaste sofisticado. En la mayoría de los casos, el coeficiente de desgaste es un factor empírico basado en experimentos. Por lo tanto, la ecuación de desgaste más general es:

Fórmula 1

Dónde:
V= volumen de desgaste [m3] en un tiempo determinado,
k= coeficiente de desgaste Archard adimensional [-],
F= fuerza de contacto [N],
H= dureza actual del material superficial [Pa],
s= distancia de deslizamiento [m] en un tiempo determinado.

El volumen de desgaste se puede expresar como:

Fórmula 2

Dónde:
h= eliminado el espesor de la capa superficial [m] en un tiempo determinado,
As= área deslizante [m2] en un tiempo determinado.

Por lo tanto, sustituyendo (2) en (1) y considerando que la presión media de contactop=F/A

Fórmula 3 fila 1
Fórmula 3 fila 2

Ahora, considerando el tiempo total de contacto durante el ciclo de carga, que representa el tiempo de paso de ambas superficies deslizantes a lo largo de la zona de contacto con la velocidad de deslizamiento, entonces el área deslizante es simplemente el área de contacto, por lo tantoAs= A. El grosor de la capa eliminada por número de vuelcos (N) se puede calcular siguiendo [2] como:

Fórmula 4

Dónde:
us= la velocidad de deslizamiento local [m / s]
u1= la velocidad media de la superficie analizada [m / s]
l= la longitud de contacto a lo largo de la dirección de deslizamiento [m].

Tenga en cuenta que casi todas las cantidades son locales (x,y.) Aquí también se asumirá como constante la dureza del acero en las pistas de rodadura y los elementos rodantes. La ecuación (4) proporciona el espesor local de la capa desgastada que se elimina en cada sobreenrollamiento en un contacto de rodamiento.

Modelando la interacción desgaste-fatiga

Para modelar la interacción desgaste / fatiga en los rodamientos, se debe aplicar un modelo de fatiga por contacto rodante (RCF) en cada giro excesivo de la pista de rodadura con un perfil previamente modificado (en ambas superficies) debido al desgaste; De esta manera, ambos fenómenos (desgaste y fatiga) interactúan. Cada vez que el desgaste modifica el perfil, se debe calcular una nueva distribución de presión en el contacto para el modelo de fatiga. Este proceso refleja lo que sucede en la vida real. Sin embargo, es un cómputo&muy costoso; tímido; en términos generales, teniendo en cuenta que las vidas típicas de RCF pueden cubrir millones de vuelcos. Por lo tanto, existen simplificaciones que reducen sustancialmente el costo computacional:

  1. Se aplica un cálculo de contacto seco en lugar de una solución completa de lubricación elastohidrodinámica (EHL), evitando en este caso la solución del problema de lubricación simplemente considerando un coeficiente de fricción fijo (medido).

  2. Actualizar el perfil resultante del desgaste de cada cierto número de vuelcos, en lugar de actualizarlo en cada uno de ellos.

  3. El número de punto (2) también tiene como consecuencia que la actualización del cálculo del contacto y el cálculo del daño (fatiga) también se puede realizar al mismo tiempo que la actualización del perfil por desgaste, en lugar de cada vez sobre ruedas.

El diagrama de flujo de la figura 5 muestra un resumen del procedimiento de cálculo. Tenga en cuenta que en este caso se utiliza el criterio de fatiga de Dang Van [4] y la acumulación de daños se realiza a través de la ley lineal de Palmgren-Miner [5, 6]. Pero cualquier otro criterio de fatiga y carga de acumulación de daños podrían haberse utilizado, si los experimentos lo sugirieran.

Figura 5: Modelo de fatiga por contacto rodante con la posibilidad de incluir el desgaste en la pista de rodadura.


Los experimentos

Para validar el modelo de fatiga, se realizó una prueba de resistencia utilizando un rodamiento de rodillos cilíndricos de empuje 81107 TN (fig. 6 a), cargado axialmente con C / P= 6. {{3 }} y condiciones de lubricación dadas por ak ≈ 0. 5.

Antes de la prueba, se realizó un perfilado artificial (fig. 6 b) en los nuevos rodamientos, como si hubieran estado funcionando en condiciones de mucho desgaste. Durante la prueba, algunos rodamientos fallaron, principalmente debido al daño del rodillo (fig. 6 c), de modo que el modelo de vida podría compararse con los resultados de la prueba corta. Se consideraron exactamente los mismos rodillos desgastados y arandelas nuevas en el modelo de la figura 5; los resultados mostraron muy buena concordancia con el límite inferior del L medido10vida, teniendo en cuenta las estadísticas de Weibull.

Figura 6: a) Esquemas de los rodamientos de rodillos de empuje cilíndricos b) Perfil modificado artificialmente de los rodamientos probados c) Elemento rodante dañado de un rodamiento después de la prueba.

Paralelamente, también se llevaron a cabo pruebas de desgaste y mea& timidez; las garantías en rodamientos completos para calcular el coeficiente de desgaste y luego validar el modelo utilizando diferentes conjuntos de experimentos. El acuerdo entre modelo y experimentos también fue satisfactorio.

Resultados

En los rodamientos axiales de rodillos cilíndricos, el deslizamiento varía linealmente (disminuye) desde los dos bordes del rodillo hacia la línea de inclinación, donde el deslizamiento es cero (fig. 7). Hacia el diámetro exterior del rodamiento, el rodillo será la superficie más rápida, y hacia el diámetro interior será la más lenta. Para ilustrar los efectos concurrentes del desgaste y la fatiga en un rodamiento con deslizamiento variable a través de la pista de rodadura, se considera otro caso de rodamiento de rodillos de empuje con un rodamiento más grande (81212 TN), como se describe en los datos de la Tabla {{2 }}.

Figura 7: Representación esquemática de parámetros geométricos para el cálculo deslizante en un rodamiento de rodillos cilíndricos de empuje. El radio P / 2 representa la ubicación del diámetro de paso donde el deslizamiento es cero.
Tabla 1: Parámetros de geometría principal del rodamiento 81212 TN y carga aplicada.

Se lanzó una simulación que permitió al modelo modificar el perfil resultante del desgaste con un coeficiente de desgaste dimensional (definido comoFormula 6) con las condiciones de carga indicadas en la Tabla 1 y la simulación destinada a alcanzar nominalmente 300 millones de vuelcos.

En lugar de actualizar los perfiles de desgaste en cada giro, para ahorrar tiempo de cálculo sin perder precisión, se descubrió que las actualizaciones se podían hacer cada 15. 5 millones de vuelcos en el rodillo. Para la simulación, el mismo modelo representado como en la fig. Se aplica 5 , incluido el modelo de ecuación de desgaste Archard (4).

Los resultados de la simulación se muestran en la figura 8. La figura muestra:

  1. las presiones adimensionales,

  2. esfuerzos de corte de von Mises,

  3. el mapa de daños,

  4. los perfiles originales de rodillos y arandelas,

  5. los perfiles de rodillo y arandela desgastados, correspondientes al paso de tiempo del final de las simulaciones.

Debe señalarse que el mapa de daños alcanzó un valor de daño total superior a 1 (umbral de inicio de crack) después de solo 31 millones de vuelcos. Los resultados que se muestran en la figura 8 están relacionados con los pasos de simulación inicial y final. La presión inicial (fig. 8 a) en el primer rodamiento se ve más o menos hertziana, pero muestra cierto efecto de tensión de borde ya que se utilizó un perfil de rodillo recto simple, en lugar de un rodillo perfilado adecuado que evite esos tensiones de borde. De los resultados es evidente que el deslizamiento es cero en la línea de cabeceo; Además, la parte del modelo de desgaste Archard de la simulación indica un desgaste cero en esa ubicación.

De hecho, el desgaste está relacionado con la distribución del deslizamiento en la pista de rodadura. Por lo tanto, el desgaste tendrá lugar a un ritmo mayor a medida que uno se aleja de la línea de lanzamiento de la pista de rodadura. Tenga en cuenta que originalmente la presión de contacto era casi rectangular (fig. 8 a), pero a medida que se retira el material de los dos lados del contacto de rodadura, la presión se reduce en las áreas de alto deslizamiento y se aumenta y concentra fuertemente en el área de deslizamiento cero (línea de cabeceo), (fig. 8 b). Este aumento de presión produce grandes tensiones y fatiga a un ritmo más rápido hasta que se desarrolle una falla en el medio del rodillo (fig. 8 c). El efecto simultáneo y concurrente del desgaste y la fatiga puede acelerar el desprendimiento de RCF del contacto. Este desprendimiento acelerado de fatiga no está relacionado con la tensión de fricción inducida por el deslizamiento, sino que es el resultado de la modificación del perfil original de los cuerpos rodantes (figs. 8 d y 8 e) que conducen a un fuerte aumento de la tensión de contacto y menor espesor de película localizado.

Figura 8: a) Presiones adimensionales iniciales, tensiones de corte de von Mises
Figura 8: b) Presiones adimensionales finales, tensiones de corte de von Mises
Mapa de daños de Palmgren-Miner después de la simulación para el mismo ejemplo de la Tabla 1 con un coeficiente de desgaste de=0. 5 × 10-11 [s]
Figura 8: d) Perfiles originales y desgastados para la lavadora inferior
Figura 8: e) Perfiles originales y desgastados para el final de la vida útil del rodillo después de 31 millones de vuelcos con fallas en el rodillo.


Conclusiones

A partir del modelado de los efectos concurrentes del desgaste abrasivo y RCF, se encuentra que el deslizamiento podría convertirse en un elemento importante para aumentar el daño por fatiga de un rodamiento. Esto requiere la presencia de partículas abrasivas y / o muy malas condiciones de lubricación en el rodamiento. La distribución de deslizamiento no uniforme dentro del contacto hertziano también contribuye al desarrollo de elevadores de tensión que acortan significativamente la expectativa de vida útil del rodamiento. De hecho, este parece ser el mecanismo más significativo por el cual el deslizamiento hertziano podría eventualmente reducir la vida útil del rodamiento RCF.

Para reducir este riesgo, se dan las siguientes recomendaciones:

  1. Asegúrese de que siempre haya una lubricación adecuada en el rodamiento, especialmente en los rodamientos de gran tamaño con velocidad lenta de rotación u oscilación, rodamientos en presencia de grandes cantidades de partículas abrasivas o rodamientos expuestos a la corrosión.

  2. Optimizar soluciones de sellado; eventualmente use rodamientos sellados / blindados.

  3. Reduzca la contaminación sólida y líquida tanto como sea posible.

  4. Evite las cargas de choque y las vibraciones que pueden aumentar sustancialmente las condiciones nominales de deslizamiento en el rodamiento.

  5. En el caso de los rodamientos de gran tamaño, si se detecta un desgaste desigual a tiempo, la reconstrucción puede ser un aspecto de reducción de costos a considerar.

  6. Para obtener más información sobre nuestros productos y cotizaciones, envíe un correo electrónico a:info@jxtcbearing.com